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據(jù)悉，中國(guó)首顆綜合性太陽(yáng)探測(cè)專用衛(wèi)星“先進(jìn)天基太陽(yáng)天文臺(tái)”（ASO-S）將于今年10月?lián)駲C(jī)發(fā)射。利用第25個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)周的契機(jī)，ASO-S以“一磁兩暴”為科學(xué)目標(biāo)，對(duì)太陽(yáng)耀斑、日冕物質(zhì)拋射和全日面矢量磁場(chǎng)開(kāi)展同時(shí)觀測(cè)，為嚴(yán)重影響人類正常生活的空間災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)提供支持。

“目前我們處在第25個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)周的上升期，太陽(yáng)活動(dòng)日益頻繁。今年下半年是對(duì)太陽(yáng)開(kāi)展系統(tǒng)深入觀測(cè)的最佳窗口期之一?！敝袊?guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員譚寶林對(duì)科技日?qǐng)?bào)記者表示。

科學(xué)家普遍認(rèn)為，太陽(yáng)活動(dòng)周期大約為11年。那么科學(xué)家是如何發(fā)現(xiàn)這個(gè)規(guī)律的？太陽(yáng)活動(dòng)為什么會(huì)有周期性？太陽(yáng)活動(dòng)周期對(duì)于太陽(yáng)科學(xué)觀測(cè)和日常生活有何影響？

從250年太陽(yáng)黑子記錄中總結(jié)規(guī)律

太陽(yáng)平日里并不“安靜”。中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心研究員顏毅華介紹，太陽(yáng)上會(huì)出現(xiàn)黑子、耀斑和日冕物質(zhì)拋射等太陽(yáng)爆發(fā)活動(dòng)導(dǎo)致的瞬變現(xiàn)象。此外，太陽(yáng)還會(huì)持續(xù)不斷地往外“吹”出高溫帶電粒子流，即太陽(yáng)風(fēng)。

“太陽(yáng)黑子是太陽(yáng)活動(dòng)的基本標(biāo)志?！弊T寶林說(shuō)，黑子像太陽(yáng)“臉上的痣”。但實(shí)際上，一個(gè)中等黑子的大小就和地球差不多，而且黑子本身并不黑，只是溫度比太陽(yáng)光球?qū)拥投@得黑?，F(xiàn)有研究表明，黑子的這種低溫是強(qiáng)磁場(chǎng)所致，其磁場(chǎng)強(qiáng)度大約比地球磁場(chǎng)大1萬(wàn)倍。

1610年，意大利天文學(xué)家伽利略用天文望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到了太陽(yáng)黑子。到了1851年，德國(guó)天文學(xué)愛(ài)好者施瓦貝通過(guò)17年的連續(xù)觀測(cè)及繪圖，發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)黑子數(shù)存在10年左右的周期。

受施瓦貝的啟發(fā)，瑞士蘇黎世天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)沃爾夫經(jīng)過(guò)分析整理，獲得了超過(guò)250年的太陽(yáng)黑子記錄。沃爾夫發(fā)現(xiàn)，當(dāng)太陽(yáng)黑子數(shù)或黑子群增多時(shí)，太陽(yáng)活動(dòng)現(xiàn)象如日珥、耀斑等也相應(yīng)地增強(qiáng)。因此，沃爾夫提出，太陽(yáng)黑子數(shù)可以代表太陽(yáng)活動(dòng)的平均水平。

沃爾夫還觀測(cè)到，太陽(yáng)黑子數(shù)隨時(shí)間呈周期性變化，短則9年，長(zhǎng)則接近14年，平均約為11.1年。他將1755年至1766年命名為第1個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)周。據(jù)此，目前我們處在第25個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)周的上升期。

隨后，德國(guó)天文學(xué)家斯波勒發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)黑子出現(xiàn)的緯度位置隨太陽(yáng)活動(dòng)周也呈現(xiàn)出周期性變化，這就是斯波勒定律。每一個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)周開(kāi)始時(shí)，黑子出現(xiàn)在太陽(yáng)南北半球緯度30度至45度附近，隨著太陽(yáng)活動(dòng)周的發(fā)展，黑子逐漸向赤道靠近。在太陽(yáng)活動(dòng)周的極大年（黑子數(shù)量最多的年份），黑子群主要出現(xiàn)在太陽(yáng)南北緯15度附近；而在活動(dòng)周的末期，黑子群則主要出現(xiàn)在太陽(yáng)南北緯8度附近。

1904年，英國(guó)天文學(xué)家蒙德夫婦將太陽(yáng)黑子在日面緯度的分布變化過(guò)程繪制成圖，圖中的太陽(yáng)黑子分布呈蝴蝶狀。

顏毅華介紹，1908年，美國(guó)天文學(xué)家海耳發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)黑子是太陽(yáng)上的強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域，第一次證實(shí)了宇宙天體中磁場(chǎng)的存在，也揭示了太陽(yáng)活動(dòng)是由太陽(yáng)磁場(chǎng)引發(fā)的。

太陽(yáng)活動(dòng)周期還無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)報(bào)

驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)產(chǎn)生磁周期的原因是什么？這一問(wèn)題被《科學(xué)》雜志列為125個(gè)最前沿的科學(xué)問(wèn)題之一。

“恒星尺度上的磁場(chǎng)如果自然衰減，需要100多億年的時(shí)間。但是太陽(yáng)南北兩個(gè)半球的黑子磁極是相反的，還存在22年的磁極轉(zhuǎn)換周期，即每11年磁場(chǎng)極性反轉(zhuǎn)一次。這顯示太陽(yáng)不是一顆普通的恒星，它的磁場(chǎng)不是自然衰減?！鳖佉闳A說(shuō)。

為揭示太陽(yáng)磁場(chǎng)的起源，1955年美國(guó)天體物理學(xué)家帕克提出太陽(yáng)發(fā)電機(jī)理論。譚寶林解釋說(shuō)，太陽(yáng)是一個(gè)快速旋轉(zhuǎn)的等離子體“大火球”，等離子體是良導(dǎo)體，其內(nèi)部物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)有可能在局部區(qū)域形成電流，而電流又可以形成感生磁場(chǎng)，這個(gè)過(guò)程被形象地稱為太陽(yáng)發(fā)電機(jī)過(guò)程。太陽(yáng)發(fā)電機(jī)理論是解釋地球、太陽(yáng)和其他天體磁場(chǎng)起源的理論基礎(chǔ)。

“太陽(yáng)發(fā)電機(jī)理論不僅能說(shuō)明太陽(yáng)磁場(chǎng)的起源，而且能解釋22年的磁周期，還與黑子‘蝴蝶圖’的緯度分布以及觀測(cè)結(jié)果能夠較好地吻合。但是該理論目前尚不能準(zhǔn)確預(yù)報(bào)太陽(yáng)活動(dòng)的周期，無(wú)法解釋太陽(yáng)黑子呈現(xiàn)的各種周期以及周期的不規(guī)則性?！鳖佉闳A指出。

上世紀(jì)60年代，美國(guó)科學(xué)家巴布科克父子和萊頓等人提出了一種早期太陽(yáng)發(fā)電機(jī)模型：太陽(yáng)較差自轉(zhuǎn)、太陽(yáng)偶極磁場(chǎng)、子午環(huán)流三者之間的相互作用，造成了太陽(yáng)活動(dòng)的周期性，該模型被稱為巴布科克—萊頓模型。之后一些天文學(xué)家在該模型的基礎(chǔ)上，利用數(shù)值模擬，能對(duì)一些太陽(yáng)活動(dòng)周期進(jìn)行半定量的預(yù)測(cè)。

譚寶林介紹，巴布科克—萊頓模型基于太陽(yáng)的3個(gè)基本事實(shí)，第一個(gè)是太陽(yáng)上存在較差自轉(zhuǎn)，即太陽(yáng)不同緯度處的自轉(zhuǎn)周期不同，太陽(yáng)赤道附近的自轉(zhuǎn)較快，周期大約是27天，隨著緯度的增加，自轉(zhuǎn)逐漸變慢，在南北緯度45度附近，自轉(zhuǎn)周期大約為31天，到兩極地區(qū)，自轉(zhuǎn)周期接近40天左右。

第二，在太陽(yáng)寧?kù)o區(qū)（沒(méi)有黑子的區(qū)域）和兩極地區(qū)均存在較弱的磁場(chǎng)，并且太陽(yáng)南北半球磁場(chǎng)方向相反。

第三，太陽(yáng)對(duì)流層中存在子午環(huán)流，即太陽(yáng)表面的物質(zhì)從赤道向極區(qū)流動(dòng)，而在太陽(yáng)對(duì)流層底部的物質(zhì)則從極區(qū)向赤道流動(dòng)，形成閉合環(huán)流，這種現(xiàn)象被稱為太陽(yáng)子午環(huán)流。

但在譚寶林看來(lái)，發(fā)電機(jī)模型仍然是半定量的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，人們至今都無(wú)法從理論上準(zhǔn)確解釋到底是哪些物理因素決定了太陽(yáng)活動(dòng)周期的長(zhǎng)度和發(fā)生時(shí)間，以及為什么太陽(yáng)活動(dòng)周期大約是11年。

會(huì)對(duì)衛(wèi)星、電網(wǎng)系統(tǒng)等造成嚴(yán)重影響

譚寶林指出，太陽(yáng)活動(dòng)周期不僅是太陽(yáng)上黑子出現(xiàn)多少的周期性體現(xiàn)，更是太陽(yáng)向周?chē)臻g釋放能量、太陽(yáng)爆發(fā)活動(dòng)，以及太陽(yáng)風(fēng)暴發(fā)生的周期性展現(xiàn)。

“研究太陽(yáng)活動(dòng)周期將對(duì)許多學(xué)科的發(fā)展產(chǎn)生重要影響。”譚寶林表示，對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)周的起源研究，將幫助我們更好地理解太陽(yáng)以及宇宙中與太陽(yáng)類似的眾多恒星的形成與演化過(guò)程。

此外，對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)周的研究還有助于更好地預(yù)測(cè)未來(lái)空間天氣活動(dòng)的發(fā)展趨勢(shì)，提前獲悉未來(lái)太陽(yáng)爆發(fā)活動(dòng)及太陽(yáng)風(fēng)暴可能發(fā)生的情況。

“對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)周的研究還可能直接推動(dòng)等離子體物理、流體物理和天體物理學(xué)等學(xué)科的發(fā)展，甚至對(duì)工程技術(shù)方面也會(huì)產(chǎn)生重要影響?！弊T寶林說(shuō)。

太陽(yáng)活動(dòng)周對(duì)于普通人的生活影響大嗎？顏毅華表示，一般情況下并不算大，甚至沒(méi)有直接的影響。但是，太陽(yáng)活動(dòng)會(huì)對(duì)衛(wèi)星系統(tǒng)、電網(wǎng)系統(tǒng)等產(chǎn)生非常顯著的影響，甚至?xí)?duì)其造成嚴(yán)重破壞，從而間接影響人們的生活。比如導(dǎo)致手機(jī)信號(hào)變?nèi)趸騺G失、無(wú)法使用導(dǎo)航等。

例如，1859年的卡林頓太陽(yáng)耀斑事件嚴(yán)重破壞了當(dāng)時(shí)的全球電報(bào)網(wǎng)絡(luò)，讓人類第一次認(rèn)識(shí)到太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)地球空間環(huán)境的影響；1989年3月，狂暴的日冕物質(zhì)拋射引發(fā)了極強(qiáng)的地磁爆，導(dǎo)致加拿大魁北克省電網(wǎng)在90秒內(nèi)全面癱瘓，造成直接經(jīng)濟(jì)損失約5億美元；2003年10月的重大太陽(yáng)活動(dòng)事件，造成全球范圍短波通信中斷，超視距雷達(dá)、民航通信中斷，瑞典電網(wǎng)中斷1小時(shí)，全球定位系統(tǒng)導(dǎo)航出現(xiàn)故障，多顆科學(xué)衛(wèi)星數(shù)據(jù)丟失等。

此外，中國(guó)科學(xué)院科學(xué)傳播研究中心副主任袁嵐峰表示，太陽(yáng)黑子的長(zhǎng)期變化還和地球氣候密切相關(guān)。例如，1300年至1850年是一個(gè)小冰河時(shí)期，當(dāng)時(shí)太陽(yáng)的活動(dòng)就顯著弱于后續(xù)年代的平均水平。

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